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第六节核能利用第七节小粒子与大宇宙第四章原子核第四章原子核1.知道什么是反应堆，了解反应堆的工作原理．2.知道什么是核电站，了解我国核电站的发展．3．了解物质世界的时间跨度和空间跨度．一、反应堆1．受控热核反应是人类对________能量的利用．2．核反应堆的建造是人类对________能量的利用．3．核反应堆是__________________的装置．核反应堆用________或________制成铀棒作为核燃料；用______、______作为减速剂使中子减速；为调节中子数以控制反应速度需用______作为控制棒；为控制反应堆的温度，需要用____、液体金属钠等流体作为冷却剂在反应堆内外循环流动，不断带走热能，同时可以用来输出热能加以利用；在反应堆外面修建很厚的____________来屏蔽射线，将放射性废料装入特制的容器，埋入地层深处来处理．核聚变核裂变人工控制链式反应天然铀浓缩铀石墨重水镉棒水水泥防护层(1)在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．()(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．()(3)核反应堆用过的核废料无毒无害．()×√×二、核电站核能利用1．核电站：利用反应堆工作时释放出的____能使水汽化以推动汽轮发电机发电．2．核能利用：发电，制造核动力潜艇、核动力破冰船、核动力航空母舰，进行原子核物理实验，制造各种放射性同位素．热三、从小粒子到大宇宙——空间跨度人类目前所能研究的物质世界的空间尺度，约从________________到______________，共跨越了大约42个数量级．四、从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度物质世界的时间尺度，约从________________到______________，共跨越了将近43个数量级．10－15m1027m10－25s1018s核电站1．核电站是使原子核的链式反应在人工控制下进行，使释放的核能转化为内能，再由蒸汽轮机带动发电机转化为电能，使核能为人类和平建设服务．2．核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是浓缩铀235，它的主要部件列表如下：慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染3．核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少，一座百万千瓦的核电站，一年只消耗浓缩铀30t左右，而同样功率的火电站每年要消耗250万吨优质煤．(2)对环境的污染要比火力发电小．铀核裂变有多种形式，其中一种的核反应方程是23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310n.(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量．(23592U、14156Ba、9236Kr、10n的质量分别为235.0439u、140.9139u、91.8973u、1.0087u，1u相当于931MeV)(2)1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它相当于燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107J/kg)(3)一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率为η＝40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，所用铀矿石中铀235的含量为4%，则该核电站一年消耗铀矿石多少吨？[思路点拨](1)计算释放的核能相当于燃烧多少煤，或需要多少铀时，先计算出一个铀核裂变放出的能量ΔE，ΔE乘以原子核数为放出的总能量E，再由E计算煤或铀的质量．(2)原子核数N＝MM核＝MM摩NA.[解析](1)裂变反应的质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.2153×931MeV≈200.4MeV.(2)1kg铀235中含原子核的个数为N＝mMUNA＝103235×6.02×1023≈2.56×1024个则1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔEN＝NΔE＝2.56×1024×200.4MeV≈5.13×1026MeV设q为煤的热值，m为煤的质量，有ΔEN＝qm所以m＝ΔENq＝5.13×1026×106×1.6×10－192.94×107kg≈2791.8t.(3)核电站一年的发电量E＝Pt，需要的核能为Eη＝Ptη设所用铀矿石质量为M，则铀235的含量为0.04M，对应的原子核数0.04MNAMU因Ptη＝0.04MMUNAΔE则M＝PtMU0.04ηNAΔE＝109×365×24×60×60×2350.04×40%×6.02×1023×200.4×106×1.6×10－19g≈2.4×107g＝24t.[答案](1)200.4MeV(2)5.13×1026MeV2791.8t(3)24t核能的利用与环境保护1．核原料提供的能量巨大，1kg铀全部释放的能量大约相当于2700t标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘如前所述更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．2．核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．(多选)日本东海岸曾发生9.0级地震，地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏，向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质，这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家．有效防治核污染，合理、安全利用核能成为当今世界关注的焦点和热点．下列说法中正确的是()A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电B．铯、碘、钡等衰变时释放能量，故会发生质量亏损C．铯137进行β衰变时，往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的穿透能力，甚至能穿透几厘米厚的铅板D．铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统，其半衰期是30.17年，如果将铯137的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度[解析]核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的，而不是靠衰变，A错误．释放能量就一定有质量亏损，B正确．β衰变往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的穿透能力，能穿过几厘米厚的铅板，C正确．放射性元素的半衰期由其本身决定，与周围环境无关，D错误．[答案]BC有关核反应的综合问题某一年，7颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的γ光子，经分析确认，1个负电子和1个正电子湮灭时放出2个频率相同的γ光子．已知负电子、正电子的静止质量m0＝9.1×10－31kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量E和湮灭前的动量p满足关系E2＝c2p2＋m20c4.式中c为光速，若负电子、正电子的动量为零，则：(1)写出湮灭的核反应方程式．(2)用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子．(3)计算出γ光子的频率．[解析](1)核反应方程式为0－1e＋01e―→2γ.(2)若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的．(3)正、负电子湮灭前的动量为零，即c2p2项为零，可知其对应的能量为E＝m0c2，光子的能量满足E＝hν，由能量守恒有：m0c2＋m0c2＝2hν，即得频率为ν＝m0c2h＝9.1×10－31×（3×108）26.63×10－34Hz＝1.24×1020Hz.[答案](1)0－1e＋01e―→2γ(2)见解析(3)1.24×1020Hz本题中需明确光子、电子等微观粒子均有动量和能量，且动量守恒定律、能量守恒定律在核反应中同样适用．